ASENKRON MOTORUN BOŞTA ÇALIŞMA VERİMİNİN ARTTIRILMASI VE DSP TABANLI UYGULAMASI

Transkript

1 ASENKRON MOTORUN BOŞTA ÇALIŞMA VERİMİNİN ARTTIRILMASI VE DSP TABANLI UYGULAMASI The Increase the no-load-operation Efficiency of Induction Motor and Application based DSP Yasemin Önal 1, Metin Kesler 2 1 Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bilecik Ş.E. Üniversitesi yasemin.onal@bilecik.edu.tr 2 Bilgisayar Mühendisliği Bilecik Ş.E. Üniversitesi metin.kesler@bilecik.edu.tr Özet Bu çalışmada, üç fazlı asenkron motorların boşta çalışma verimlerini arttırmak için dijital sinyal işlemci (DSP) tabanlı bir uygulama geliştirilmiştir. Asenkron motorlar nominal yükün altında veya boşta çalışırken gerektiğinden fazla güç tüketmektedir. Gerilim kontrol denetleyicisinde faz kaynak arasında her bir faza ters paralel bağlanmış 2 tane tristör kullanılmakta ve 3- fazlı gerilim kıyıcı/denetleyici kartında tristörlerin alfa tetikleme açısının ( ) değeri DSP den dijital port aracılığı ile elde edilmektedir. Boşta çalışma durumunda DSP ile tristörlerin iletime geçme süreleri geciktirilerek asenkron motorun azaltılmakta ve böylece motorun harcadığı güç azaltılmaktadır. Önerilen denetim yöntemi sayesinde boşta çektiği güç azaltılarak yaklaşık % 30 civarında enerji verimliliği sağlanmaktadır. Testler 1.1kW lık 3 fazlı sincap kafesli asenkron motor kullanılarak yapılmıştır. Önerilen yöntemin deneysel çalışması yapılarak sonuçlar tablo halinde verilmiştir. Elde edilen sonuçlar; DSP tabanlı n kontrol yöntemi kullanarak asenkron motorun boşta çalışma veriminin arttırılabildiğini göstermektedir. Anahtar Kelimeler: DSP, Asenkron Motor, Verim, Gerilim Kontrolü. Abstract In this study, a method based digital signal processor (DSP) has been suggested to increase the no-loadoperation efficiency of three-phase induction motor. The total power consumption from source of induction motors operating under the nominal load power is equal to the power consumption operating at nominal load. Two thristor has been used connected in pareler to the opposite to each phase between phase and source voltage in voltage control controller and the value of trigger angle of thyristor in 3 phase voltage chopper / controller card has been obtained by digital port from DSP. The voltage of induction motor has been reduced by delayed turn on time of thyristor with DSP in no-load operation and thus the power consumption of motor has been reduced. Due to the suggested control method, Energy efficiency of about 30% is provided by no-load operation power consumption is decreased. The tests have been performed by using 1.1kW 3-phase squirrel cage induction motor. Experimental study of the suggested method have been performed and the results are given. The results show that the no-load operation efficiency of induction motor can be increased by controlling the voltage by DSP. Key Words: DSP, Induction Motor, Efficiency, Voltage Control. 1. Giriş Elektriksel kontrol sistemleri günümüz endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. DA motorların hız kontrol mekanizmalarının basitliği, mekaniksel karakteristikleri ve genel endüstriyel kullanımlara oldukça uygun olmasından dolayı çok uzun bir zaman uygulamaların çoğunluğunda kullanılmaktadır. DA motorların mekanizmalarının fırçalar ve komütatörler arasında frekans uyumsuzluğu meydana getirmesinden ve bunun sonucu olarak tamir edilmelerini zorlaştıran mekanik aşınma oluşturmasından dolayı DA motorların yerini asenkron motorlar almaktadır[1]. Asenkron motorlar üreticiler tarafından belirlenen nominal gerilim ve frekansında tam yükte çalıştırıldıklarında en az kayıpla çalışacak şekilde tasarlanmaktadırlar. Genellikle motorlar karşılayacakları en büyük yüke göre seçildiklerinden, çalışma periyodunun büyük bir kısmında çok düşük verimlerde çalışmakta ve büyük bir enerji tüketimine sebep olmaktadırlar. Ayrıca, güç katsayıları da çok düşük olduğundan şebekeyi olumsuz etkileyerek hatlarda ilave kayıplara neden olmaktadırlar. Bu tip uygulamalar için enerji optimizasyonu çok önemlidir [2]. Gerilim kontrolü ile enerji optimizasyonu uygulanan n azaltılması ile yapılmaktadır. İyi olarak nitelendirilen enerji tasarrufu düzenlemelerinde n ve güç faktörünün azaltılması yöntemleri kullanılmaktadır. Fakat sistem dinamikleri kısıtlı olmaktadır [3-4]. Statik yol vericiye dayalı A.C. gerilim denetleyicisinin geleneksel yol vericilere göre yumuşak hızlanma, kolay 103

2 akım kontrolü, hat ne açık devre geçiş ve düşük yük durumunda enerji optimizasyonu gibi daha fazla avantajı bulunmaktadır [5]. Günümüz endüstrisinde, asenkron motorların hız, moment veya konum denetiminde yüksek hızlı ve doğruluklu işlem başarımının elde edilmesinde ve daha karmaşık denetim yöntemlerinin uygulanmasında sayısal sinyal işleyiciler önemli yer tutmaktadır. Güç elektroniği ve sürücü düzeneklerinde kullanılan yarı iletken anahtarların daha hızlı ve daha karmaşık denetimleri, sürekli gelişen mikroişlemci teknolojisiyle daha kolay yapılabilmektedir. Bu işaret işleyiciler DSP olarak tanımlanmaktadır [6]. Bu çalışmada kapsamında her türlü evirici,çevirici ve gelişmiş ileri düzey motor denetimi için üretilmiş olan ezdspf28335dsk kullanılmaktadır. Bu DSP ile bilgisayarın USB portu üzerinden TI firmasının CCS2000 (Code Composer Studio 2000) ara yüz yazılımı üzerinden programlanarak asenkron motorun boşta daha verimli çalışması denetlenmektedir. 2. Asenkron Motorun Çalışma Prensibi Asenkron motorlarda üretilen elektromanyetik momenti eşitlik 1 de verilmektedir: em K.ImIr (1) olarak verilmektedir. Burada K motor sabiti, m mıknatıslanma ve r rotor nı vermektedir. Gerilim manyetik akı ilişkisi eşitlik2 de verilmektedir [2]: Vm k1 s m (2) Burada s stator açısal frekansı, m hava boşluğu akısıdır. Asenkron motorlar genellikle sabit gerilim ve frekans için üretilmektedirler. Motorların kontrol edilmesinde kullanılan klasik yol V/Hz oranını yaklaşık olarak sabit tutmaktır. Böyle yapılmasıyla, nüve kayıpları ve mıknatıslanma nın indüklediği stator bakır kaybı sabit tutulmaktadır, bu yüzden düşük yükte motor verimi keskin bir şekilde azalmaktadır. Belirli bir hız ve yük momenti için, stator frekansı arttırılırsa stator azaltılabilmektedir. Bu nüve kayıplarını ve stator bakır kaybını azaltmaktadır fakat rotor bakır kaybını arttırmaktadır. Gerilim ve ana akı aşırı azaltılırsa nüve kayıpları çok düşmektedir fakat rotor kayıpları ve rotor nın endüklediği stator bakır kayıpları aşırı şekilde artmaktadır. Her yük ve hız için motor kayıplarının minimum olduğu bir akı seviyesi vardır [7]. Motor nominal yükün altında çalıştığında kayma azalacağı için rotor azalacaktır. değişmediğinden mıknatıslanma aynı normal yükteki değerinde kalarak aşırı bir mıknatıslanma oluşacaktır. Bunun sonucunda güç katsayısı azalacak, kayıplar artacağı için verim düşecektir. Bu nedenle nominal yükün altında çalışan bir asenkron motorun kayıplarını azaltmak için hava aralığındaki manyetik akının değerini düşürmek dolayısıyla motorun ni düşürmek gerekmektedir. Fakat gerilim yük momenti için gerekli akıyı oluşturacak değerin altına düşürülmemelidir. Aksi durumda motor duracaktır. Deneysel çalışmada Şekil1'de verilen 3 fazlı AA gerilim kıyıcı tekniği ile çalışan Şekil 2 de resmi verilen dspic mikro denetleyici tabanlı 3-fazlı gerilim kıyıcı/denetleyici kartı kullanılmıştır. 3-fazlı gerilim kıyıcı kartı A-B-C fazlarından alınan referans sinyaller yardımıyla kaynak ile senkron sıfır geçiş sinyalleri üretmekte ve tristör tetikleme sinyallerinin süre ve zamanı belirlenmektedir [8]. DSP ortamında geliştirilen denetim algoritması asenkron motor nominal yükün altında çalışırken motora uygulanan gerilim, Şekil 2' de verilen 3-fazlı gerilim kıyıcı kartı kullanarak azaltılmaktadır. Motor boşta çalışırken motora uygulanan gerilim azaltıldığında çekilen akım azalacağından motorun çektiği güç azaltılmaktadır. Motor nominal yükte çalışmaya başladığı anda motora uygulanan gerilim arttırılarak motor nominal çalışmasına dönmektedir. Böylece asenkron motorun boşta çalışması sırasında çektiği güç minimuma indirilmektedir. tristörler motor sargıları Şekil Fazlı AA gerilim denetleyicisi bağlantısı. Şekil fazlı gerilim kıyıcı/denetleyici kartı fotoğrafı. 104

3 3. A.A. Gerilim Denetim Yöntemi Gerilim kontrol denetleyicisinde faz kaynak ve yıldız bağlı asenkron motorun uygun fazı arasına her bir faza ters paralel bağlanmış 2 tane tristör kullanılmaktadır. 3-fazlı gerilim kıyıcı/denetleyici kartında tristörlerin alfa tetikleme açısının ( ) değerini DSP den dijital port aracılığı ile almaktadır[8]. tetikleme açısı uygun tristörün iletime başlaması için faz nin sıfır geçişleri arasındaki açı olarak tanımlanmaktadır. faz açısı faz ve faz arasındaki açı olarak tanımlanmaktadır. Bu açı 0 90 arasındadır. gecikme açısı bir sonraki tristörün iletime başlaması için faz nın sıfır geçişleri arasındaki açı olarak tanımlanmaktadır [9]. Şekil 3 de 40 ve 75 için akım ve gerilim dalga şekli verilmiştir. Alfa tetikleme açısı sıfır da tüm şebeke motora uygulanır. Boşta çalışma durumunda DSP ile tristörlerin iletime geçme sürelerinin geciktirilmesiyle gerilim azaltılır ve motorun çektiği güç azaltılmış olur. Böylece her yük için motora uygulanan gerilim çeşitli denetleme sinyalleri kullanılarak optimal çalışma koşullarını sağlayacak değere getirilmektedir. V a I a Pozitif tristör palsi Deneysel çalışmada gerçekleştirilen devrenin bağlantı resmi Şekil 4 de ve kontrol şeması Şekil 5 de verilmektedir. Devrede, üç fazlı motorun stator akımlarından alınan analog sinyaller, işaret koşullandırıcı devreye gönderilmekte ve orada DSP nin algılayabileceği aralığa ölçeklenerek DSP nin analog girişlerine uygulanmaktadır. Analog girişlerden alınan akım verileri DSP ortamında denetim algoritmasında işlenmektedir. Motor nominal yükün altında çalıştığında akım değeri azalacağından akımdaki azalma bilgisi DSP tarafından algılanmaktadır. 3-fazlı ayarlı trafo manyetik yük 3-fazlı doğrultucu asenkron motor Şekil. 3. ve değerlerine sahip faz ve faz dalga şekli 4. Deneysel çalışma Asenkron motorun boşta çalışma verimini artırmak için yapılan deneysel çalışma, etiket değerleri; P=1,1kW, n=2, 220/380V ( /Y), 4,8/2,8A ( /Y), R s =4,92, R r =4,42, L sr =0.71H, L s =0.725H, L r =0.715H, B r =0.005Kgm 2 s 1, J m = Kgm 2 olan üç fazlı asenkron motor kullanılmıştır. Bu asenkron motora akuple elektromanyetik hız kesici (manyetik yük) kullanılmıştır. Elektromanyetik hız kesicinin etiket değerleri; U max =250V, P=1,1kW ve S3 dür. Elektromanyetik hız kesiciye 3-fazlı ayarlı trafo ve 3-fazlı köprü doğrultucu yardımıyla farklı D.A. gerilim değerleri (örneğin 50V,100V,200V,vs..) uygulanarak asenkron motor farklı yüklerde çalıştırılmaktadır. t(s) Şekil. 4. Devre bağlantı fotoğrafı DSP akımdaki azalmaya karşılık alfa tetikleme açısını geciktirerek 3-fazlı gerilim kıyıcı/denetleyici çıkışında daha düşük değerlere sahip gerilim oluşturmaktadır. Bu gerilim motora uygulanarak motor nı ve giriş gücünü minimum yapmakta ve motorun boşta çalışma verimini maksimum olduğu optimal çalışma noktasında çalışması sağlanmıştır. Fakat gerilim yük momenti için gerekli akıyı oluşturacak değerin altına düşürülmemektedir. Motorun optimal çalışma noktalarında çalıştırılması sadece boşta çalışma durumunda değil motorun yükünde herhangi bir azalma olduğunda da DSP tarafından gerçekleştirilmektedir. Deneysel çalışmada alınan değerler tabloya kaydedilerek boşta ve farklı yüklerdeki gerilim akım eğrileri çizilmiştir. Tablo 1 de verildiği gibi, motor boşta ve farklı yüklerde (farklı manyetik yük nde) çalıştığında, motora uygulanan gerilim DSP tarafından kademeli olarak düşürüldüğünde belli bir noktaya kadar akım azalırken verim artmakta ve bu noktadan itibaren akım tekrar artmaya başlamaktadır. Akımın tekrar arttığı gerilim değeri o yük için verimin maksimum olduğu optimal çalışma noktasıdır. 105

4 Şekil fazlı asenkron motorun boşta çalışma kontrol şeması Açı ( ) Tablo 1. Boşta ve farklı yüklerdeki stator akım değerleri boşta (0V) 50V 100V 150V 200V 250V 0 1,560 1,585 1,785 2,300 3,285 3, ,560 1,585 1,785 2,300 3,28 3, ,560 1,585 1,785 2,295 3,000 3, ,560 1,585 1,715 2,270 2,960 3, ,560 1,585 1,670 2,240 2,995 3, ,560 1,585 1,590 2,200 2,930 3, ,465 1,495 1,545 2,190 3,195 3, ,385 1,390 1,495 2,555 4, ,285 1,290 1, ,075 1,080 1, ,960 0, ,760 1, Şekil 6 da farklı yüklerde tetikleme açıları ile akım değişim eğrileri verilmiştir. Eğrilerden, farklı tetikleme açılarında boşta çalışma nın tetikleme açısı büyüdükçe azaldığı görülmektedir. Buda boşta çalışan motora uygulanan n azaltılmasıyla elde edilmektedir. Şebekeden çekilen akım azaldığında motorun harcadığı güç azalmakta böylece asenkron motorun boşta çalışma verimi artmaktadır. stator akimi A bosta çalisma V50 V100 V150 V200 V Tetikleme tetikleme açısı α açisi (derece) Şekil. 6. Farklı yüklerde tetikleme açısının akım üzerindeki etkisi 5. Sonuçlar Bu çalışmada, üç fazlı asenkron motorun boşta çalışma veriminin arttırılması için DSP tabanlı bir kontrol uygulaması gerçekleştirilmiştir. Boşta çalışan asenkron 106

5 motorlarda, uygulanan gerilim denetlenerek azaltılabileceği ve bununla da kaynaktan çekilen toplam gücün azaltılabileceği gösterilmiştir. Bu sayede enerji verimliliği önemli miktarda artmaktadır. Farklı yüklerde çalışan asenkron motora uygulanan n değeri belli bir değerin altına düşürüldüğünde akım yükselmekte ve verim düşmektedir. Makine bu noktada durma noktasına gelmektedir. Tetikleme açısı bu noktadaki değerin altına düşürülmemelidir. Motorun yük miktarı azaldıkça gerilim azalma oranı artmaktadır. Tüm yüklerde enerji verimi arttırılabilmektedir. Enerji verimi yük azaldıkça artmaktadır. Bu çalışma ile farklı zamanlarda farklı yüklerde çalışması gereken üç fazlı asenkron motorların yük miktarıyla orantılı olarak verimleri artırılabileceği gösterilmiştir. Asenkron motorların kolay denetimi ve işletme maliyetlerinin az olması nedeniyle çok tercih edilmektedir. Dolayısıyla bu motorların boşta çalışma süreleri nominal yük altında çalışma sürelerinden daha fazla olduğu işletmelerde, enerji verimliliğinin artırılması önem arz etmektedir. Bu kapsamda, bu çalışmada elde edilen birikim ve deneyimler kullanılarak, endüstride gerçek yük altında çalışan asenkron motorların enerji verimliliği test edilecek ve geliştirilen sistemin endüstriyel bir ürüne dönüştürülmesi planlanmaktadır. 6. Kaynaklar [1] Kai L., Xinglin C., Yan W., Analysis of Thyristor Controlled Induction Motors Based on VVCF, Electrical Machines and Systems ICEMS 2005 Proceedings of the Eighth International Conference on, 2005, [2] Saraçoğlu B., Meşe E., Özdemir E., Duru T., Asenkron Motorların Optimal Enerji Denetimi, Elektrik-Elektronik-Bilgisayar Mühendisliği 9. Ulusal Kongresi, 2001, 1-4. [3] N. Mohan, Improvement in Energy Efficiency of Induction Motors by Means of Voltage Control, IEEE Trans. Power Apparatus Syst., vol. PAS-99, pp , July/Aug [4] T. M. Rowan and T. A. Lipo, A Quantitative Analysis of Induction Motor Performance Improvement by SCR Voltage Control, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. IA-19, pp , July/Aug [5] Sastry V. V., Prasad M. R., Sivakumar T. V., Optimal Soft Starting of Voltage-Controller-Fed IM Drive Based on Voltage Across Thyristor IEEE Transactions on Power Electronics, vol.12, no.6, November [6] Kesler S., "Elektrik Makinaları Denetim Sistemlerinde TMS320F2812 DSP Kullanımı", Akademik Bilişim 2008 Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, 30 Ocak - 1 Şubat 2008, [7] Abrahamsen F., Blaabjerg F., Pedersen J.K., Grabowski P., Thogersen P., Petersen E.J., "On The Energy Optimized Control of Standard and High- Efficiency Induction Motors in CT and HVAC Applications", Industry Applications Conference, Thirty-Second IAS Annual Meeting, IAS '97. IEEE, Volume 1, , [8] Kesler M., Karabacak M., Özdemir E., Genel Amaçlı Tristör Sürücü Eğitim Setinin Tasarımı ve Uygulaması Otomasyon Dergisi, 2011, [9] Baimel D., Rabinovici R., Ben Yakov S., Simulation of Thyristor Operated Induction Generator by Simulink, Psim and Plecs Electrical Machines ICEM th International Conference on, 2008,